Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng “tham gia mà không đóng góp” lên hệ thống chia sẻ file ngang hàng bittorren

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Lê Quang Tuấn
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG
“THAM GIA MÀ KHÔNG ĐÓNG GÓP” LÊN HỆ
THỐNG CHIA SẺ FILE NGANG HÀNG
BITTORRENT
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin
HÀ NỘI - 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Lê Quang Tuấn
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN
TƯỢNG “THAM GIA MÀ KHÔNG ĐÓNG GÓP”
LÊN HỆ THỐNG CHIA SẺ FILE NGANG HÀNG
BITTORRENT
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin
Cán bộ hướng dẫn: Tiến sỹ Nguyễn Đại Thọ
HÀ NỘI - 2009
Lời cảm ơn
Mở đầu cho khóa luận, em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất tới
các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin, Trường đại học
Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội đã tận tình dạy dỗ em trong 4
năm học vừa qua. Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn tiến sỹ
Nguyễn Đại Thọ, người đã hướng dẫn, chỉ bảo em trong quá trình
thực hiện khóa luận này.
Mình cũng muốn gửi lời cám ơn tới những người bạn học K50CB và
K50MMT, những người đã cùng với em chia sẽ những ngày tháng trên
ghế giảng đường đại học, cùng chia sẻ niềm vui cũng như giúp đỡ lẫn

nhau trong quá trình học tập tại trường.
Cuối cùng, với tất cả lòng biết ơn, con muốn nói lời cám ơn cha
mẹ, những người đã luôn tin tưởng và động viên em, cho em chỗ dựa
vững chắc để vững tin hơn trong cuộc sống.
Tháng 5 năm 2009
Lê Quang Tuấn
Tóm tắt
Đề tài nghiên cứu của khóa luận tập trung vào vấn đề “nghiên cứu ảnh hưởng của
hiện tượng “tham gia mà không đóng góp”(tiếng Anh: free-riding) đối với hệ thống chia
sẻ file ngang hàng BitTorrent”. Trước hết, khóa luận sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan
về hệ thống mạng ngang hàng hiện nay. Tiếp đó, chúng ta sẽ đi sâu vào nghiên cứu hệ
thống chia sẻ file ngang hàng BitTorrent (khái niệm, cơ chế và hoạt động). và để làm rõ
nội dung của đề tài nghiên cứu, Hệ thống BitTorrent sẽ được mô hình hóa bởi các tham
số, các nút tham gia trong mạng được chia làm 3 loại đó là seed (nút chỉ upload mà
không download), free-rider (nút tham gia vào hệ thống chỉ download mà không đóng
góp) và non free-rider (các nút bình thường, vừa tham gia download vừa tham gia
upload), từ đó xem xét khả năng tự bảo vệ chống lại free-riding trong cơ chế của
BitTorrent, và đề xuất phương án cải thiện. Trong phần sau của khóa luận, tôi đã sử
dụng chương trình mô phỏng OctoSim (một chương trình mô phỏng hệ thống BitTorrent
của Microsoft Research) để thực hiện các thử nghiệm chứng minh tính đúng đắn của
những nghiên cứu.
Mục lục
Lê Quang Tuấn ............................................................................................................................................... 1
HÀ NỘI - 2009 ............................................................................................................................................................ 1
Lê Quang Tuấn ............................................................................................................................................... 2
HÀ NỘI - 2009 ............................................................................................................................................................ 2
Tóm tắt ......................................................................................................................................................... 4
Mục lục ......................................................................................................................................................... 5
Giới thiệu chung ............................................................................................................................................ 6
Chương 1. Tổng quan về mạng ngang hàng .................................................................................................... 8

1.1. Khái niệm về mạng ngang hàng ......................................................................................................................... 8
1.2. Phân loại mạng ngang hàng ............................................................................................................................... 8
1.2.1. Mạng ngang hàng thuần túy và mạng ngang hàng lai ghép ....................................................... 8
1.2.2. Mạng ngang hàng không có cấu trúc và mạng ngang hàng có cấu trúc ..................................... 9
1.3. Ưu thế và các vấn đề cần xem xét trong mạng ngang hàng ............................................................................ 10
1.3.1. Các ưu thế của mạng ngang hàng ............................................................................................ 10
1.3.2. Các vấn đề cần xem xét trong mạng ngang hàng .................................................................... 10
1.3.3. Tiềm năng phát triển của mạng ngang hàng ........................................................................... 11
Chương 2. Mạng chia sẻ file ngang hàng BitTorrent ...................................................................................... 12
2.1. BitTorrent là gì? .............................................................................................................................................. 12
2.2. Cơ chế và hoạt động của BitTorrent ................................................................................................................ 13
2.2.1. Quá trình chia sẻ file ................................................................................................................ 13
2.2.2. Sự lựa chọn các phần đơn vị (Piece Selection) ........................................................................ 14
2.2.3. Thuật toán Choking ................................................................................................................. 14
2.3. Optimistic Unchoking và Free-Rider .................................................................................................................. 15
2.4. So sánh BitTorrent và một số hệ thống chia sẻ file ngang hàng khác .............................................................. 16
Chương 3. Mô hình hóa và xem xét ảnh hưởng của free-riding lên hệ thống chia sẻ file BitTorrent .............. 17
3.1. Một số nghiên cứu liên quan ............................................................................................................................ 17
3.2. Mô hình và các tham số ................................................................................................................................... 18
3.3. Nghiên cứu hệ thống ở trạng thái ổn định (steady-state) ............................................................................... 21
Chương 4. Chương trình mô phỏng OctoSim ................................................................................................ 27
4.1. Cài đặt và sử dụng chương trình ..................................................................................................................... 27
4.1.1. Giới thiệu, cách thức cài đặt và thiết lập môi trường để chạy chương trình OctoSim ............ 27
4.1.2. Đầu vào và đầu ra của chương trình mô phỏng ...................................................................... 28
4.2. Cấu trúc và chức năng của chương trình mô phỏng ......................................................................................... 29
4.2.1. File Main.cs: ............................................................................................................................ 30
4.2.2. File WorkloadProcessor.cs: ..................................................................................................... 30
4.2.3. File Sim.cs: .............................................................................................................................. 31
4.2.4. File ProtocolMain.cs: .............................................................................................................. 32
4.2.5. File Node.cs: ............................................................................................................................ 33

4.2.6. File SimParameters.cs .............................................................................................................. 34
4.2.7. Các file khác ............................................................................................................................. 35
Chương 5. Các thí nghiệm mô phỏng và đánh giá ......................................................................................... 35
5.1. Kết luận sau khi xem xét mô hình và đề xuất phương án cải thiện .................................................................. 35
5.1.1. Kết luận thu được từ quá trình phân tích và tính toán ............................................................ 35
5.1.2. Đề xuất phương án cải thiện ................................................................................................... 36
5.2. Tiến hành các thử nghiệm ................................................................................................................................ 37
5.2.1. Thử nghiệm thứ nhất .............................................................................................................. 37
5.2.2. Thử nghiệm thứ hai ................................................................................................................. 38
5.2.3. Thử nghiệm thứ ba .................................................................................................................. 40
Chương 6. Kết luận và phương hướng tiếp theo .......................................................................................... 42
Tài liệu tham khảo ....................................................................................................................................... 43
Giới thiệu chung
Hiện nay, máy tính đã trở thành công cụ không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi
con người. Máy tính đã hỗ trợ rất đắc lực cho chúng ta trong công việc, học tập cũng
như giải trí hầu như mọi nơi, mọi lúc. Và một trong những lý do lớn khiến cho máy tính
có thể len lỏi vào từng ngõ ngách của cuộc sống như vậy chính là do có sự xuất hiện của
mạng Internet. Internet giúp chúng ta thu hẹp mọi khoảng cách, mở cánh cửa bước vào
kho tài nguyên tri thức vô tận của nhân loại.
Trong quá trình phát triển của Internet, bên cạnh những ứng dụng theo mô hình
Client / Server truyền thống như WWW, email, FTP,… trong thời gian gần đây, đã xuất
hiện các ứng dụng theo mô hình ngang hàng (Peer to Peer – P2P). Với các ưu điểm như
tốn ít chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng, tận dụng được tài nguyên của các máy tham gia
vào mạng, giải quyết được vấn đề điểm chết trung tâm của mô hình Client / Server
truyền thống, các ứng dụng trên mạng ngang hàng ngày càng được quan tâm phát triển
nhiều hơn.
Từ sự xuất hiện của Napster vào năm 1999, có nhiều ứng dụng chia sẻ file ngang
hàng được phát triển, ví dụng như Gnutella, KaZaA và BitTorren. Nhưng trong đó
BitTorrent có số lượng người dùng lớn nhất và đã trở thành giải pháp chính cho việc
chia sẻ file ngang hàng. Trong một nghiên cứu đã cho thấy rằng, các tài khoản sử dụng

BitTorrent chiếm tới 35% lưu lượng trung chuyển trên mạng Internet, đó là 1 con số lớn,
hơn tất cả các hệ thống chia sẻ file khác gộp lại.
Sự phát triển mạnh mẽ của BitTorrent trong thời gian vừa qua cho thấy sự hiệu
quả và ổn định trong cơ chế và giao thức của nó. Tuy nhiên, cũng như hầu hết các hệ
thống hoạt động trên mô hình mạng ngang hàng, hoạt động của BitTorrent cũng dựa
trên sự tự nguyện đóng góp của các thành phần tham gia trong mạng. Do đó, BitTorrent
cũng phải đối mặt với vấn đề free-riding (có những người dùng tham gia vào mạng chỉ
để lấy tài nguyên về mà không chịu đóng góp cho hệ thống).
Trong khuôn khổ của khóa luận, chúng ta sẽ từng bước tìm hiểu qua 6 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng ngang hàng, Trình bày các kiến thức cơ bản về
mạng ngang hàng (P2P Network),ưu nhược điểm của mạng ngang hàng và các vấn đề
cần chú ý khi nghiên cứu mạng ngang hàng.
Chương 2: Hệ thống chia sẻ file ngang hàng BitTorrent, giới thiệu về
BitTorrent, cơ bản về giao thức, cách thức chia sẻ file, cơ chế thúc đẩy các nút tham gia
đóng góp cho hệ thống. So sánh BitTorrent với một vài hệ thống chia sẻ file ngang hàng
khác. Trong chương này cũng trình bày nguyên nhân dẫn đến khả năng tồn tại của các
nút free-rider.
Chương 3: Mô hình hóa và xem xét ảnh hưởng của hiện tượng free-riding
lên hệ thống chia sẻ file BitTorrent, trong chương này tôi nghiên cứu mô hình
BitTorrent được đề xuất trong bài báo “Free-Riding on BitTorrent-like File Sharing
System: Modeling, Analysis and Improvement” của các tác giả Jiadia Yu, Minglu Li, Jie
Wu. Qua đó thấy được mức độ ảnh hưởng của hiện tượng free-riding lên hệ thống cũng
như khả năng tự bảo vệ của hệ thống BitTorrent. Từ đó, đề xuất cơ chế khắc hạn chế
hiện tượng free-riding.
Chương 4: Chương trình mô phỏng OctoSim, chương này giới thiệu và mô tả
cấu trúc chức năng của chương trình mô phỏng OctoSim ( một chương trình mô phỏng
hệ thống BitTorrent của Microsoft Research được viết bằng ngôn ngữ C#)
Chương 5: Các thí nghiệm mô phỏng và đánh giá, trong chương này tôi rút ra
một số kết luận từ quá trình nghiên cứu và đề xuất phương án nhằm hạn chế hiện tượng
free-riding, sau đó sử dụng chương trình mô phỏng OctoSim để thực hiện các thí

nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả nghiên cứu và hiệu quả của đề xuất, và có những
nhận xét cũng như giải thích về những kết quả đã đạt được.
Chương 6: Kết quả thu được trong quá trình làm khóa luận và phương hướng
nghiên cứu trong tương lai.
Chương 1. Tổng quan về mạng ngang hàng
1.1. Khái niệm về mạng ngang hàng
Mạng ngang hàng (Peer-to-Peer hay P2P) [1] là một mạng máy tính trong đó hoạt
động của mạng chủ yếu dựa vào khả năng tính toán và băng thông của các máy tham gia
chứ không tập trung vào một số nhỏ các máy chủ trung tâm như các mạng thông
thường. Mạng ngang hàng thường được sử dụng để kết nối các máy thông qua một
lượng kết nối dạng ad hoc. Mạng ngang hàng có nhiều ứng dụng. Các loại ứng dụng
thường xuyên gặp nhất là các ứng dụng chia sẻ tập tin, tất cả các dạng như âm thanh,
hình ảnh, dữ liệu,... hoặc ứng dụng truyền dữ liệu thời gian thực như điện thoại VoIP.
Một mạng ngang hàng đúng nghĩa không có khái niệm máy chủ và máy khách, nói
cách khác, tất cả các máy tham gia đều bình đẳng, mỗi máy là một nút mạng (còn gọi là
peer) đóng vai trò đồng thời là máy khách và máy chủ đối với các máy khác trong
mạng.
1.2. Phân loại mạng ngang hàng
1.2.1. Mạng ngang hàng thuần túy và mạng ngang hàng lai ghép
Mạng ngang hàng thuần túy:
- Các máy trạm có vai trò vừa là máy chủ vừa là máy khách.
- Không có máy chủ trung tâm quản lý mạng.
- Không có máy định tuyến (bộ định tuyến) trung tâm. Các máy trạm có khả năng
tự định tuyến.
Mạng ngang hàng lai ghép:
- Có một máy chủ trung tâm dùng để lưu trữ thông tin của các máy trạm và trả lời
các truy vấn thông tin này
- Các máy trạm có vai trò lưu trữ thông tin, tài nguyên được chia sẻ để cung cấp
các thông tin về chia sẻ tài nguyên của nó cho máy chủ.
- Sử dụng các trạm định tuyến để xác định đia chỉ IP của các máy trạm

1.2.2. Mạng ngang hàng không có cấu trúc và mạng ngang hàng có cấu
trúc
Mạng phủ (Overlay) ngang hàng bao gồm tất cả các nút mạng đại diện cho các
máy tham gia và các liên kết giữa các nút mạng này. Một liên kết tồn tại giữa hai nút
mạng khi một nút mạng biết vị trí của nút mạng kia. Dựa vào cấu trúc liên kết giữa các
nút mạng trong mạng phủ ta có thể phân loại hệ thống mạng ngang hàng phân tán thành
2 loại: có cấu trúc hay không cấu trúc.
Một mạng ngang hàng không cấu trúc khi các liên kết giữa các nút mạng trong
mạng phủ được thiết lập ngẫu nhiên (tức là không theo qui luật nào). Những mạng như
thế này dễ dàng được xây dựng vì một máy mới khi muốn tham gia mạng có thể lấy các
liên kết có sẵn của một máy khác đang ở trong mạng và sau đó dần dần tự bản thân nó
sẽ thêm vào các liên kết mới của riêng mình. Khi một máy muốn tìm một dữ liệu trong
mạng đồng đẳng không cấu trúc, yêu cầu tìm kiếm sẽ được truyền trên cả mạng để tìm
ra càng nhiều máy chia sẻ càng tốt. Hệ thống này thể hiện rõ nhược điểm: không có gì
đảm bảo tìm kiếm sẽ thành công. Đối với tìm kiếm các dữ liệu phổ biến được chia sẻ
trên nhiều máy, tỉ lệ thành công là khá cao, ngược lại, nếu dữ liệu chỉ được chia sẻ trên
một vài máy thì xác suất tìm thấy là khá nhỏ. Tính chất này là hiển nhiên vì trong mạng
ngang hàng không cấu trúc, không có bất kì mối tương quan nào giữa một máy và dữ
liệu nó quản lý trong mạng, do đó yêu cầu tìm kiếm được chuyển một cách ngẫu nhiên
đến một số máy trong mạng. Số lượng máy trong mạng càng lớn thì khả năng tìm thấy
thông tin càng nhỏ.
Một nhược điểm khác của hệ thống này là do không có định hướng, một yêu cầu
tìm kiếm thường được chuyển cho một số lượng lớn máy trong mạng làm tiêu tốn một
lượng lớn băng thông của mạng, dẫn đến hiệu quả tìm kiếm chung của mạng thấp.
Hầu hết các mạng ngang hàng phổ biến là không cấu trúc như Napster, Gnutella,
Fasttrack và eDonkey2000.
Mạng ngang hàng có cấu trúc khắc phục nhược điểm của mạng không cấu trúc
bằng cách sử dụng hệ thống DHT (Bảng Băm Phân Tán, tiếng anh: Distributed Hash
Table). Hệ thống này định nghĩa liên kết giữa các nút mạng trong mạng phủ theo một
thuật toán cụ thể, đồng thời xác định chặt chẽ mỗi nút mạng sẽ chịu trách nhiệm đối với

một phần dữ liệu chia sẻ trong mạng. Với cấu trúc này, khi một máy cần tìm một dữ
liệu, nó chỉ cần áp dụng một giao thức chung để xác định nút mạng nào chịu trách
nhiệm cho dữ liệu đó và sau đó liên lạc trực tiếp đến nút mạng đó để lấy kết quả.
Một số mạng ngang hàng có cấu trúc nổi tiếng bao gồm Chord, CAN, Kademlia,
Pastry và Tapestry.
Như vậy có thể thấy hệ thống BitTorrent mà chúng là nghiên cứu thuộc loại mạng
ngang hàng lai ghép 
1.3. Ưu thế và các vấn đề cần xem xét trong mạng ngang hàng
1.3.1. Các ưu thế của mạng ngang hàng
Các ưu thế của mạng ngang hàng cũng chính là các mục đích ban đầu khi tạo ra
mạng ngang hàng người ta nghĩ đến. Mạng ngang hàng là tập hợp liên kết của các máy
tính đơn lẻ với nhau và đóng góp tài nguyên (bao gồm dung lượng ổ cứng, băng thông
và khả năng tính toán). Do đó, sức mạnh của mạng ngang hàng tăng lên khi số nút tham
gia mạng tăng lên(trái với mô hình client/server truyền thống, sức mạnh và hiệu năng
của mạng giảm khi số lượng client tham gia vào mạng tăng lên). Một ưu thế khác của
mạng ngang hàng so với mô hình client/server truyền thống đó chính là tính chất phân
tán. Điều này đảm bảo được tính bền vững của mạng khi có một(hoặc một vài nút) gặp
phải sự cố. Mặt khác, do tính chất bền vững của mạng là lớn nên nếu có cơ chế phân
phối thông tin hợp lý thì sẽ luôn đảm bảo được tính sẵn sàng cao trong mạng. Một ưu
thế đáng được nói đến nữa của mô hình P2P đó chính là chi phí xây dựng hệ thống thấp,
do đó việc triển khai một hệ thống mạng cũng khá dễ dàng.
1.3.2. Các vấn đề cần xem xét trong mạng ngang hàng
Các hệ thống mạng ngang hàng đều được xây dựng nên dựa trên sự tự nguyện
tham gia của các nút thành viên. Do đó khi thiết kế và nghiên cứu cần chú ý đến các vấn
đề sau:
- Tính ổn định và dễ mở rộng của mạng: Làm thế nào để cho các nút có thể
tham gia vào mạng một cách dễ dàng nhất có thể, đồng thời cũng phải giữ
được tính ổn định của mạng, có nghĩa là mạng vẫn có thể hoạt động bình
thường khi có một số nút rời mạng (tự nguyệt hay đột ngột bị lỗi).
- Tận dụng tối đa tài nguyên đóng góp của các nút tham gia mạng: Sức mạnh

của một hệ thống mạng ngang hàng phụ thuộc vào việc hệ thống đó tận dụng
được các tài nguyên đóng góp của các nút tham gia mạng. Đặc biệt chú ý đến
vấn đề tận dụng băng thông của các nút tham gia mạng.
- Đảm bảo được tính công bằng trên mạng: Vai trò của các nút trong một hệ
thống mạng ngang hàng là ngang nhau, do đó mức độ đóng góp và dịch vụ
được hưởng cũng phải ngang nhau. Trong vấn đề về tính công bằng trên
mạng cần đặc biệt chú ý đến hiện tượng free-riding, đây cũng là yếu tố được
nghiên cứu trong khóa luận này.
- Duy trì tính sẵn có(avaibility) của tài nguyên: Mục đích của việc lưu trữ và
chia sẻ file, ai cũng muốn file được lưu trữ lâu dài và có thể lấy về bất cứ lúc
nào. Tuy nhiên trong mạng ngang hàng thì không có ràng buộc gì để đảm bảo
được điều đó do trong mạng ngang hàng, sự đóng góp là hoàn toàn tự nguyện.
- Còn một vấn đề khác cần được lưu ý ngoài các vấn đề về mặt kĩ thuật trên.
Đó chính là vấn đề về bản quyền của các thông tin được chia sẻ trên mạng.
Hiện tại, P2P là nơi lý tưởng để trao đổi các file nhạc, film không có bản
quyền (cũng là một phần lý do thúc đẩy mạng P2P phát triển như hiện nay).
1.3.3. Tiềm năng phát triển của mạng ngang hàng
Hiện nay, khái niệm mạng ngang hàng hoàn toàn không lạ lẫm. Số người biết đến
và sử dụng những ứng dụng trên nền tảng công nghệ mạng ngang hàng đang tăng lên
từng ngày. Mặc dù vẫn còn những vấn đề về bảo mật hay vấn đề về bản quyền của
những nội dung được trao đổi trong mạng ngang hàng, nhưng với những ưu thế và lợi
ích mà mạng ngang hàng đem lại, chúng ta vẫn có thể thấy được sự phát triển mạnh mẽ
của nó.
Trên thực tế, cũng đang có rất nhiều nghiên cứu phát triển các ứng dụng trên nền
công nghệ mạng ngang hàng, từ những lĩnh vực bình thường của đời sống như giải trí
hay truyền hình( các ứng dụng về truyền video thông qua mạng ngang hàng) đến công
việc kinh doanh hay nghiên cứu khoa học. Đặc biệt, quân đội Mỹ cũng đã có những dự
án nghiên cứu phát triển những ứng dụng quân sự trên nền công nghệ mạng ngang hàng.
Chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng rằng, trong tương lai gần, mạng ngang hàng sẽ
tiếp tục phát triển và cung cấp thêm nhiều lợi ích cho cuộc sống.

Chương 2. Mạng chia sẻ file ngang hàng BitTorrent
2.1. BitTorrent là gì?
BitTorrent là tên một giao thức chia sẻ file được lập trình viên Bram Cohen thiết
kế vào tháng 4 năm 2007, và chỉ 3 tháng sau đó, tháng 7 năm 2001, giao thức này đã
được đưa vào triển khai trong thực tế và tạo ra một hệ thống chia sẻ file theo mô hình
mạng ngang hàng mới, cũng được mang tên là BitTorrent. Ngoài chương trình
BitTorrent Client đầu tiên được viết bởi Bram Cohen là BitTorrent (hay Mainline) cũng
đã có rất nhiều chương trình BitTorrent Client khác được phát triển và có thể chạy được
trên nhiều nền tảng khác nhau (Windows, Mac, Linux,...).
Hình 1: Giao diện một chương trình BitTorrent Client
Trong hình trên là giao diện của µTorrent, một chương trình BitTorrent Client khá
phổ biến. Về cơ bản thì nó cũng khá giống một chương trình hỗ trợ download bình
thường. Để triển khai về mặt ứng dụng, hệ thống BitTorrent chỉ cần một máy chủ có cài
ứng dụng Tracker và các nút tham gia sử dụng một chương trình BitTorrent client nào
đó. Quá trình hoạt động cụ thể của việc chia sẻ file sẽ được nói chi tiết trong phần sau.
Một số khái niệm (thuật ngữ) hay được dùng trong BitTorrent:
Seed: Nút nắm giữ toàn bộ file, chỉ tham gia quá trình upload file.
Peer(or downloader/leecher): Nút tham gia vào cả quá trình download và upload
file.
Neiborghs (Swarm): Các nút giữ liên kết với một nút nào đó trong quá trình
download 1 file nhất định.
Tracker: Máy chủ có nhiệm vụ theo dõi và nắm thông tin về các nút nào đang
tham gia download file nào.
*.torrent: File lưu trữ các thông tin về file chia sẻ, địa chỉ của tracker.. (sẽ nói chi
tiết hơn trong phần sau).
Piece/chunk/share/block…: Một đơn vị sau khi chia nhỏ file trong BitTorrent.
Sự chia sẻ file trong BT được thực hiển bởi sự trao đổi các đơn vị này.
2.2. Cơ chế và hoạt động của BitTorrent
2.2.1. Quá trình chia sẻ file
Ý tưởng cơ bản của BitTorrent là chia file thành các phần đơn vị (piece) bằng nhau

(thường là có kích thước 256KB) và một nút khi tham gia vào mạng thì có thể download
cùng lúc các phần khác nhau từ các nút khác nhau.
Để bắt đầu chia sẻ 1 file, người nắm giữ file này sẽ tạo ra một file tĩnh có phần mở
rộng là .torrent. File .torrent này có chứa các thông tin về file muốn chia sẻ như, dung
lượng file, tên file, số lượng các phần và giá trị băm của nội dung file cũng như nội
dung từng phần nhỏ đó, đồng thời trong file đó cũng có chứa địa chỉ url của Tracker
(server có nhiệm vụ liên kết các nút với nhau). Cụ thể, Tracker sẽ nắm giữ các thông tin
như có những nút nào đang download file nào và các nút đó đang lắng nghe ở cổng
nào…, các thông tin này được cập nhật mỗi 30 phút. Và để đảm bảo là người dùng khác
có thể download, người muốn chia sẻ ban đầu phải giữ kết nối vào mạng trong thời gian
nhất định. Nút mạng này được gọi là seed. Ngoài ra, seed còn để chỉ các nút nắm giữ
toàn bộ các phần của file và tự nguyện tham gia quá trình upload các phần đó cho các
nút khác. Các nút còn lại trong mạng được gọi là downloader hay leecher.
Khi ai đó muốn download 1 file qua BitTorrent, bằng cách nào đó có được file
.torrent của file đó (ví dụ như tải về từ 1 trang web nào đó .v.v..), từ thông tin có trong
file .torrent, nút đó sẽ kết nối đến tracker và nhận về 1 danh sách(khoảng 40 nút) ngẫu
nhiên các nút đang tham gia vào quá trình download file đó. Sau đó, nó sẽ tiến hành kết
nối đến các nút đó và bắt đầu trao đổi các phần đơn vị của file. Tập hợp các nút cùng
đang chia sẻ 1 file gọi là 1 swarm hay torrent, tập hợp các nút đang liên kết với 1 nút
nào đó gọi là neiborghs hay peers của nút đó. Để quá trình trao đổi được thuận lợi, mỗi
nút sẽ thông báo cho tất cả các nút kết nối với nó rằng nó đang nắm giữ những phần đơn
vị nào của file đang chia sẻ.
2.2.2. Sự lựa chọn các phần đơn vị (Piece Selection)
Như đã nói ở trên, quá trình chia sẻ file trong BitTorrent chính là quá trình trao đổi
các phần đơn vị (pieces) của file đó giữa các nút mạng. Vì thế giải thuật lựa chọn các
phần này sao cho hợp lý rất quan trọng. Trong BitTorrent, giải thuật lựa chọn được áp
dụng ở các nút tuân theo các nguyên tắc sau.
Ưu tiên nghiêm ngặt( Strict Priority): Khi một piece được chọn, nó phải được
download xong trước khi chọn piece khác. Quy tắc này để đảm bảo nút có được đầy đủ
pieces một cách nhanh nhất có thể.

Ít nhất trước(Local Rarest First): Để quyết định xem piece nào sẽ được chọn,
nút sẽ so sánh số lượng của mỗi piece trong tập tất cả các nút đang liên kết với nó(bao
gồm cả chính bản thân nút đó) và lựa chọn tải về piece có số lượng ít nhất. Chiến lược
này để đảm bảo sự cân bằng của số lượng mỗi piece trong mạng.
Một vấn đề nữa là đối với nút đầu tiên tham gia upload file lên mạng (original
seed) là làm sao có thể phát tán tất cả các piece của file vào mạng 1 cách nhanh nhất có
thể. Khi đó, chiến lược LRF được áp dụng cho seed là, trong các yêu cầu pieces từ các
nút kết nối đến nó, nó sẽ ưu tiên phục vụ piece nào có số lượng được phục vụ ít nhất.
Đơn vị đầu tiên ngẫu nhiên(Random First Piece): Khi một nút mới gia nhập
mạng, nó sẽ chọn ngẫu nhiên 1 piece để tải về. Quy tắc này để khiến cho nút có được
mẩu đầu tiên một cách nhanh nhất để bắt đầu upload.
Chế độ kết thúc(Endgame Mode): Để giúp nút có thể kết thúc nhanh quá trình
download, nút có thể yêu cầu piece cuối từ tất cả các nút liên kết với nó.
2.2.3. Thuật toán Choking
BitTorrent là một hệ thống chia sẻ file ngang hàng, do đó sự tham gia của các nút
vào quá trình up và download ảnh hưởng rất lớn đến sự sống còn của mạng. Nút trong
mạng sẽ không đáp ứng tất cả các yêu cầu download các piece từ các nút liên kết với nó,
mỗi yêu cầu đó chỉ được đáp ứng khi nút có yêu cầu đảm bảo được những điều kiện
nhất định. Quy tắc được đặt ra để nhằm khuyến khích các nút tham gia upload vào
mạng nhiều hơn, được gọi là cơ chế thúc đẩy (Incentive Mechanism) của BitTorrent.
Thông thường, một nút chỉ đáp ứng yêu cầu của 4 nút hàng xóm cung cấp cho nó
tốc độ download cao nhất, và quá trình xác định tốc độ download của các nút liên kết
với nó được thực hiện 10 giây một lần. Khi chiến lược này được áp dụng, nút nào có tốc
độ upload vào mạng càng cao thì càng có được tốc độ download cao. Chiến lược này
gọi là chiến lược ăn miếng trả miếng (Tit-for-tat Strategy).
Optimistic Unchoking: Nếu chỉ áp dụng quy tắc như trên sẽ bó hẹp sự trao đổi
dữ liệu giữa các nút liên kết với nhau. Để tạo cơ hội tìm kiếm các nút có cung cấp tốc
độ download cao hơn cũng như để cho nút mới tham gia vào mạng có thể có được đáp
ứng về piece đầu tiên, BitTorrent sử dụng “optimictic unchoke” 30 giây 1 lần.
Optimistic unchoke sẽ mở đáp ứng cho một kết nối ngẫu nhiên mà không tính đến tốc

độ download cũng như upload.
Trong Khóa luận này, chúng ta sẽ nghiên cứu kĩ hơn tác dụng của cơ chế thúc đẩy
của BitTorrent trong việc hạn chế hiện tượng free-riding trong BitTorrent.
2.3. Optimistic Unchoking và Free-Rider
Free-rider là nút không upload đến các nút khác, do đó theo chiến lược TFT, nó
cũng không nhận được dữ liệu từ các nút khác. Tuy nhiên do có Optimistic Unchoke
như đã nói ở trên, free-rider vẫn có được cơ hội nhận được dữ liệu từ hệ thống. Chúng
ta sẽ xem xét cụ thể hơn vấn đề này.
Gọi G{p
0
,p
1
, …, p
xn-1
, q
0
,q
1
, …, q
xf-1
} là tập hợp các nút trong mạng
BitTorrent. Trong đó x
n
là số lượng các nút bình thường (non free-rider) và x
f
là số
lượng của free-rider trong mạng. Giả sử tất cả các nút trong mạng có cùng một băng
thông upload , và không có seed trong G. Gọi µ là băng thông upload của mỗi nút, như
vậy tổng băng thông upload của hệ thống là µx
n

. Gọi u là số lượng kết nối upload của
nút trong mạng, trong đó có 1 kết nối là optimistic unchoking. Tốc độ của mỗi kết nối bị
giới hạn bởi µ/u. Theo quy tắc Optimistic Unchoking, mỗi nút bình thường sẽ chọn
ngẫu nhiên một nút khác để gửi dữ liệu, từ đó tổng số kì vọng tốc độ download của free-
rider trong G là:
(1)
Trong trường hợp x
n
+x
f
>> u
Từ (1) cho thấy rằng mặc dù không đóng góp cho hệ thống như free-rider vẫn nhận
được tốc độ download được tính bởi (1). Gọi ρ là tỉ lệ của tổng tốc độ download của
free-rider so với tổng băng thông upload của các nút bình thường. ta có:
(2)
Với 0 ≤ ρ ≤ 1. Từ (2) cho thấy free-rider vẫn có được một phần tốc độ download
của cả hệ thống. Nói cách khác, cơ chế của BitTorent không thể loại trừ hoàn toàn hiện
tượng free-riding, và free-rider có thể nhận được tài nguyên từ các nút bình thường
thông qua optimistic unchoking. Để rút ra kết luận trên và các đẳng thức (1) và (2), tôi
đã tham khảo trong [13].
2.4. So sánh BitTorrent và một số hệ thống chia sẻ file ngang hàng
khác
Phương pháp dùng để phân phối tệp giữa mạng eDonkey2000 và BitTorrent là
giống nhau, như các máy trong mạng eDonkey thường chia sẻ và tải về rất nhiều tệp,
làm cho băng thông cho mỗi vận chuyển trở nên ít hơn. Ngược lại, vận chuyển
BitTorrent nhanh hơn nhiều do các máy tập trung vào một tệp hay một nhóm tệp cụ thể.
Giao thức eDonkey2000 nguyên thủy cung cấp rất ít khả năng chống free-riding, các
phiên bản client mới của eDonkey2000 có cài đặt hệ thống khuyến khích tải lên nhiều
hơn. Ví dụ chương trình eMule có hệ thống điểm (credits system) để thưởng các máy tải
lên nhiều. Một máy sẽ ưu tiên các máy vận chuyển cho mình trước đây bằng cách

chuyển vị trí các máy này lên đầu của hàng đợi làm cho thời gian chờ ít hơn. Hệ thống
này tỏ ra khá hiệu quả vì hàng đợi trong mỗi máy khách sử dụng eMule thường lên đến
hàng trăm, thậm chí hàng ngàn.
KaZaA là một giao thức gần giống với giao thức BitTorrent nhưng nó có một điểm
khác đó là nó phân biệt các máy trạm theo cấp cống hiến (Participation Level). Cấp
cống hiến tăng khi bạn tải lên và giảm khi bạn tải về. Khi bạn tải lên một tài nguyên thì
người có cấp cống hiến cao nhất nhận đầu tiên sau đó người có cấp cống hiến cao nhất
này tải lên cho người có cấp cống hiến thấp hơn và cứ tiếp tục như vậy. Mô hình này
tương tự như mô hình kim tự tháp, với người tải lên nhiều nhất ở vị trí đỉnh của kim tự
tháp, và người ít tải lên ở các vị trí đáy của kim tự tháp. Mô hình KaZaA chỉ thích hợp
phân phối tài nguyên cho một số lượng lớn người dùng, nó đã được chứng minh là
người ở đáy kim tự tháp tải tệp về nhanh hơn trường hợp tải tệp về bằng phương pháp
HTTP (trong trường hợp tệp rất lớn). Nhưng mô hình KaZaA có một nhược điểm nhỏ
đó là nó tin tưởng vào báo cáo của các máy trạm về cấp cống hiến vì vậy các máy trạm
có thể gian lận cấp cống hiến với rất nhiều các máy trạm không chính thức.
Chương 3. Mô hình hóa và xem xét ảnh hưởng của free-
riding lên hệ thống chia sẻ file BitTorrent
3.1. Một số nghiên cứu liên quan
BitTorrent là hệ thống chia sẻ file ngang hàng phổ biến nhất hiện nay, vì thế nó
cũng dành được sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học. Có nhiều nghiên
cứu nhằm cải tiến nâng cao hiệu năng của hệ thống BitTorrent với nhiều đề xuất khác
nhau. Tuy nhiên đa số những khảo sát, cả về mô phỏng lẫn theo dõi thực thế [4][6][7]